I ricercatori del CRITS (Centro Ricerche, Innovazione Tecnologica e Sperimentazione) della RAI stanno progettando e ottimizzando nuove antenne a polarizzazione circolare per la ripresa di eventi sportivi in movimento, con l'aiuto della simulazione multifisica.
Ogni anno in Italia (e nei paesi limitrofi) centinaia di migliaia di appassionati seguono uno degli eventi ciclistici più prestigiosi, il Giro d'Italia che rappresenta, insieme al Tour de France e la Vuelta a España, uno dei più seguiti tour ciclistici del mondo. Oltre ai tifosi presenti all’evento sportivo, milioni di spettatori possono seguire la diretta da casa grazie al servizio trasmesso dalla RAI, l'emittente pubblica nazionale italiana.
La ripresa di eventi sportivi in movimento è un'attività tradizionale della RAI da decenni. Per realizzarla, tipicamente si utilizzano otto motociclette dotate di varie attrezzature, tra cui radiocamere, collegamenti radio per i commentatori e mezzi di geolocalizzazione (Figura 1).
È necessaria una complessa infrastruttura, che comprende due elicotteri per la ripresa e due velivoli “ponte” che ritrasmettono i segnali, un mezzo attrezzato per la ricezione, che fornisce i segnali alla regia Rai e a quelle internazionali. Il Centro Ricerche, Innovazione Tecnologica e Sperimentazione (CRITS) e Tecnologie Riprese Esterne di Torino (ING-PROD) della Rai, hanno una lunga tradizione di collaborazione a supporto della innovazione della transizione al digitale.
Progettazione di annenne da parte del CRITS
Nello specifico, si sono analizzate le criticità e le possibili ottimizzazioni della tratta radio moto-elicottero per le riprese in movimento di eventi sportivi. A tale scopo, si sono studiate, da un punto di vista simulativo e sperimentale, nuove tipologie di antenne da montare sul bauletto posteriore delle moto, che permettano di ovviare ai problemi radioelettrici dovuti all’orientamento reciproco moto-elicottero, e risolvere le criticità legate alla sicurezza del personale (dimensioni e sporgenze).
I ricercatori RAI Assunta De Vita, Alessandro Lucco Castello e Bruno Sacco hanno analizzato le varie problematiche e proposto una soluzione basata sulla progettazione di un'antenna a basso profilo, a polarizzazione circolare. Il sistema radiante proposto è stato modellato e simulato con il software COMSOL Multiphysics. Una serie di antenne in versione prototipale è stata realizzata e testata con successo su banco confermando i risultati delle simulazioni. Le antenne sono quindi state ulteriormente testate nelle prove preliminari in movimento con elicotteri e aerei. Tali antenne, che hanno risolto i sopra citati problemi, sono ora utilizzate per i collegamenti durante il Giro d’Italia e altre corse ciclistiche.
Riprese televisive di eventi sportivi in diretta: il passaggio al digitale
Negli ultimi anni, la ripresa di eventi sportivi in diretta è stata progressivamente digitalizzata. Per la RAI, quando si tratta di seguire il Giro d'Italia, è importante che la telecronaca sia coordinata in modo efficace per tutta la durata della gara. Tre elicotteri e un aereo seguono la corsa dall’alto; due di essi sono impiegati per le riprese video e gli altri fungono da "ponte radio", trasmettendo i segnali ricevuti dalle moto al mezzo di ricezione che inoltra i segnali alla regia.
In alcuni casi si erano riscontrate difficoltà, come sporadiche interruzioni del segnale. "Abbiamo capito che il problema si verificava nel collegamento radio tra le moto e i velivoli ponte. La nostra indagine ha individuato la criticità nel disallineamento di polarizzazione che può avvenire tra l’antenna trasmittente, a bordo della moto, e quella ricevente, sul velivolo", racconta Sacco. Per migliorare le prestazioni sulla tratta, la soluzione seguita è stata quella di progettare un'antenna basata sulla polarizzazione circolare, che è immune alla rotazione attorno all’asse del collegamento. Il vincolo era di operare in configurazione dual-band, nelle bande VHF/UHF: ciò implicava che l’antenna avesse dimensioni significative rispetto all’esiguo spazio disponibile.
“L’antenna doveva lavorare simultaneamente in entrambe le bande. Pur mostrando buone prestazioni alle frequenze UHF, le dimensioni ridotte limitavano le performances nella banda VHF", spiega Sacco. Tale vincolo è stato successivamente rilassato a favore di un’antenna che avesse prestazioni ottimali, seppure nella sola banda UHF. Altro requisito era di realizzare un sistema radiante di basso profilo, allo scopo di trovare posto nel bauletto, al di sotto del coperchio o immediatamente sopra di esso. Con queste specifiche di progetto, i ricercatori hanno modellato e testato diverse strutture di antenne nella banda di frequenze di interesse, in termini di impedenza, guadagno realizzato e rapporto assiale.
Progetto e prototipazione di antenne compatte con la modellazione numerica
Per progettare una struttura radiante compatta che soddisfacesse i requisiti sopra citati, i ricercatori hanno utilizzato il simulatore ad elementi finiti COMSOL Multiphysics, testando diversi approcci; le soluzioni individuate comprendono un'antenna a spirale di Archimede e una più complessa DCDFD (dual-crossed, double-folded dipole).
La prima delle due soluzioni era basata su una struttura abbastanza convenzionale, con spirale di Archimede a due bracci. Dopo aver simulato la sola antenna a spirale, i risultati hanno mostrato buone prestazioni in termini di guadagno e polarizzazione, nella banda UHF a 500-600 MHz. La stessa soluzione avrebbe potuto coprire la parte alta della banda VHF, ma avrebbe richiesto dimensioni ben oltre i limiti di spazio disponibile.
Un ulteriore tentativo di estendere la gamma di frequenze operative verso le VHF senza aumentare le dimensioni complessive è stato fatto utilizzando la cosiddetta meander spiral per la periferia della spirale di Archimede, come mostrato in Figura 2.
“In questo caso, sebbene le simulazioni abbiano mostrato che la frequenza minima utilizzabile era effettivamente estesa verso la gamma VHF, l'obiettivo non era ancora completamente raggiunto entro il diametro disponibile per l'antenna", spiega De Vita. Un ulteriore tentativo ha previsto l'aggiunta alla spirale piatta di due dipoli con carico induttivo (Figura 4).
Speciale attenzione ha richiesto la scelta del miglior compromesso tra guadagno, larghezza di banda e qualità della polarizzazione circolare mediante l'introduzione di un piano riflettente o cavità aperta in grado di schermare anche l’antenna dall’influenza degli oggetti metallici sottostanti. È stata studiata l'influenza della distanza del riflettore sul diagramma di radiazione in campo lontano e sul rapporto assiale. Come previsto, il riflettore migliora il guadagno dell'antenna ma peggiora il rapporto assiale, richiedendo un'ulteriore ottimizzazione.
Il prototipo di antenna è stato testato in laboratorio per mezzo di un very near field scanner EMscan RFX2 (Figura 6). Le prestazioni dell'antenna simulata in campo lontano sono state confermate da tali misure di laboratorio, così come da prove sul campo.
“La seconda soluzione individuata, ottimizzata per la sola banda UHF ha riguardato un tipo di struttura un po' più complicata, perché richiede una rete di alimentazione quadrifase", commenta Sacco. Si tratta di un'antenna DCDFD (Dual-Crossed, Double-Folded Dipole, Figura 7).
Questo approccio risulta particolarmente adatto in presenza della cavità riflettente. L'analisi con la simulazione ha mostrato ottimi risultati per rapporto assiale, guadagno dell'antenna e adattamento di impedenza (Figura 8).
Il futuro della fruizione TV da dispositivi mobili secondo il CRITS
Per quanto riguarda le attività in corso, RAI-CRITS è attualmente impegnata in un progetto di studio di antenne in grado di ricevere servizi di TV per smartphone, tablet e altri dispositivi mobili. "Abbiamo la possibilità di fornire servizi televisivi ai dispositivi mobili, ma è necessario risolvere diversi problemi per raggiungere questo obiettivo”, commenta De Vita. Infatti, la possibile integrazione delle antenne nei terminali mobili, nella parte inferiore della banda UHF, rappresenta una grande sfida per i progettisti di antenne, poiché a causa delle dimensioni ridotte dei dispositivi mobili le prestazioni delle antenne risultano limitate in termini di efficienza e larghezza di banda ottenibile. Inoltre, nel caso di un dispositivo mobile, il comportamento dell'antenna viene influenzato dalla presenza della mano dell’utente: anche questo aspetto richiede ulteriori approfondimenti.
